Angew.Chem.Int.Ed|光酶選擇性合成苯並氧雜環化合物

今天推送的文章是來自江南大學生物工程學院的饒義劍教授團隊近期發表在Angewandte Chemie International Edition上的「Photoenzymatic Enantioselective Synthesis of Oxygen-Containing Benzo-Fused Heterocycles」。

苯並含氧雜環骨架廣泛存在於天然產物和許多生物活性化合物中（圖1a），如血管擴張劑藥物維司那定，具有抗炎活性的阿米拉林，抗凝血劑華法林等。由於其優異的生物活性，已經開發了許多有效的化學策略來構建苯並含氧雜環。然而，這些方法中的大多數取決於過渡金屬絡合物或苛刻的反應條件。此外，由於小分子催化劑難以控制對映選擇性，且自由基中間體壽命短，因此難以通過一般催化自由基介導的策略獲得手性苯並含氧雜環。為了規避這些問題，生物催化是獲得苯並含氧雜環化合物的另一種高效和綠色方法，特別是手性雜環化合物，因為生物催化劑具有優異的化學、區域和立體選擇性。到目前為止，已經發現了幾種具有催化活性的酶用於合成苯並含氧雜環。例如，黃素依賴性單加氧酶XimD催化苯並呋喃骨架的形成（圖1b）。XimD還可以以不同的反應模式傳遞苯並吡喃環（圖1c）。然而，這些方法側重於苯並呋喃和苯並吡喃衍生物的合成，而很少關注它們的立體結果。由於闡明的天然酶的嚴格反應和底物特異性，尚未開發通過生物催化合成其他複雜的手性苯並含氧雜環。

近年來，許多方法被用於探索新的酶活性，以擴展現有酶在化學合成中的應用。其中，光催化與酶催化相結合的光酶反應在驅動生物催化反應方面備受關注。因此，作者設想了這種光酶反應用於實現具有挑戰性的多種苯並含氧雜環的不對稱合成。在這項工作中，作者開發了一種在可見光照射下由來自氧化葡萄糖酸桿菌的黃素依賴的烯烴還原酶(ERED) GluER催化的對映選擇性反應。結果表明，GluER能將模型底物1a轉化為目標產物2a，產率適中，對映選擇性好。為了提高GluER的催化活性，擴大其雜化性，對GluER進行了結構導向工程。通過變體GluER-W100H成功地獲得了具有多種官能團和不同環尺寸的多功能苯並融合產物，其產率高，對映選擇性強(圖1d)。與其他已報道的光酶分子內烯烴對單環的氫化烷基化反應不同，本工作展示了一個用於通過氫化烷基化反應對映選擇性合成一系列剛性雙環化合物罕見的平台。

為了消除不需要的脫鹵側產物3a，從而提高2a的產量，將1a對接到GluER（PDB：6o08）的晶體結構中（圖2a），研究了它們的相互作用網絡，以獲得半理性工程GluER的可能殘基。結果表明，T25、A56、W66、W100、H172、N175、Y177、T231、Q232、F269和Y343與模型基板很接近。N175和Q232與底物的羰基形成氫鍵，距離分別為2.8Å 和3.3Å（圖2a、b）。W66 和 F269 分別通過π-π堆積相互作用與底物上的兩個苯環相互作用。在1a 和 A56 的苯環之間發現了烷基-π鍵相互作用。烷基-π相互作用使底物與FMN之間具有相對緊密的距離，有利於啟動反應的脫鹵過程。此外，T25、W100、H172、Y177、T231和Y343與1a形成范德華相互作用。其次，為了驗證對接結果的可靠性，進一步提高2a的收率，對上述氨基酸進行丙氨酸掃描。結果表明，只有變體GluER-W1A00 在保持高對映選擇性（99%ee）的情況下將產率顯着提高到95%。這些結果表明，大多數靠近模型底物的殘基對底物結合很重要。然後，進一步進行合理的定點誘變，提高a1 的產量。結果表明，由於對副產物3a的抑制，大多數突變體表現出比WT更好的催化活性，而對映選擇性沒有明顯降低（圖3d）。當W100突變為精氨酸、疏水性脯氨酸、甘氨酸和亮氨酸時，產率顯著下降至33 - 58%，這意味着適當的親水性和空間位阻對於高效合成2a至關重要。在這些突變體中，變異GluER-W100H在不改變對映體選擇性的情況下產量最高(99%)。因此選擇變異GluER-W100H進行進一步研究。

為了擴大變異GluER-W100H的混雜性，研究了上述生物催化環化反應的底物範圍。首先研究肉桂基苯環上一系列不同取代基對底物的耐受性(圖3)。證明了變體GluER-W100H可以將各種底物轉化為所需的苯並含氧雜環產物，產率高，對映選擇性強。

為了研究該光酶反應的合成效用，進行了克級實驗，其中1a (3.03 mmol, 7.6 mM)的產物2a (658 mg)仍然可以以86%的分離率和＞99% ee獲得(圖4)。由於以親核亞胺鍵和酸性氫質子為特徵的腙廣泛應用於分子開關、金屬組件和傳感器等領域，特別是那些以苯並環基團為染料和關鍵中間體的腙，作者試圖將2a轉化為4a。苯肼4a與2,4-二硝基苯肼可以很容易地以95%的產率從2a中得到，並且其結構也通過x射線晶體學得到明確的證實(圖4)。根據4a的結晶數據，產物2a的構象也被表徵為(R)-構象。這些結果表明該光酶反應具有很高的實際應用價值，且活性和對映體選擇性沒有明顯損失。

最後，通過對接模型進一步解釋GluER-W100H催化合成的對映選擇性(5d)。根據野生型GluER (PDB: 6008)的晶體結構，將不同對映選擇性的產物(R)-2a和(S)-2a分別與GluER- W100H進行對接，計算對接能。(S)-2a與GluER-W100H之間存在明顯的位阻效應。因此，該反應有利於(R)- 2a，其位阻較小，這與從4a晶體結構中觀察到的立體結果一致。

在本研究中，為了解決不對稱合成不同手性含氧苯並雜環的挑戰，通過結構引導的GluER工程，開發了一種新型的光酶反應。這種以GluER-W100H為生物催化劑的光酶反應具有廣泛的底物範圍，可耐受多種官能團和環的大小，進而提供多種所需的手性含氧苯並雜環，並具有較高的產率和對映體選擇性。此外，這些結果得到了機制研究和分子對接的充分支持。本文為製備多功能手性含氧苯並雜環基序提供了一種綠色的替代方法，可用於化學酶催化合成有機化學中重要的複合生物活性藥物。